桥梁健康监测数据采集传输系统分析与设计

摘 要：健康监测是桥梁安全管理的重要内容，其需要进行桥梁建设、运行状态等大量数据的采集传输和应用分析。本文在阐述桥梁健康监测作用的基础上，就健康监测数据采集传输系统设计要点展开分析，并指出监测数据的应用情況，期望能进一步提升数据采集传输系统的应用效果，提升桥梁健康监测质量，进而在保证桥梁稳定、安全的基础上，推动桥梁工程的持续、稳定发展。

关键词：桥梁工程;健康监测;采集传输系统;应用

中图分类号：U446 文献标识码：A

0 引言

桥梁工程项目建设及使用在加强其与联系，带动区域经济发展中起到至关重要的作用。新时期，人们对于桥梁使用的稳定性、安全性提出了较高要求，有必要在使用阶段开展起来健康监测工作。新时期，规范设计并使用桥梁健康监测数据采集传输系统，能通过全面、准确的数据，为桥梁健康监测工作开展有效参考和支撑，提升桥梁使用的整体效益。

1 桥梁健康监测的作用

桥梁结构安全直接关系着交通出行的效率和质量，对于出行人员安全具有深刻影响。基于此，在桥梁使用阶段，应重视桥梁健康监测工作的开展。一方面，自桥梁建成通车后，除温度、湿度、风速等自然环境外，交通荷载、刚硬度物质磕碰等都会对桥梁的应用效果和使用年限造成影响，引起公路桥梁结构老化和性能退化，这严重地影响了桥梁使用的安全性，有必要及时进行桥梁健康监测管理。另一方面，从桥梁健康监测过程来看，其不仅需要进行桥梁上温度、湿度、挠度、索力监测，而且需要进行桥梁倾角、应变、位移、振动等参数的收集，将这些数据实时性的传输到服务平台，然后基于大数据技术进行这些海量数据的处理，并根据相应的阈值对其进行预警及分析评估，能使得桥梁使用始终处于受控状态，这对于提升其的稳定性、安全性具有积极作用[1]。

2 桥梁健康监测顶层设计思路

2.1 监测内容

桥梁健康监测数据采集传输中，需重视监测内容的精准把控，确保健康监测内容的全面性。现阶段，公路桥梁健康监测包含荷载、结构特性、结构响应等要素的监测。其中在桥梁荷载监测中，除风荷载、温度荷载、徐变外，需重视腐蚀、交通荷载的系统监控;而在桥梁结构特性监测中，静态影响系数、整体动态特定是两个主要的监测内容，此外桥梁结构响应包含了几何形状、索力、应变和应力分布状况的监测[2]。

2.2 桥梁健康监测系统层次结构

一个完整桥梁监测系统不仅包含传感器系统、数据采集传输系统，而且涉及数据处理控制系统、桥梁健康评估系统。传感器系统对于数据的采集传输具有深刻影响。本研究中，重点分析桥梁健康监测系统到数据采集传输阶段的应用情况。期望能为后期监测数据信号调理、滤波和A/D转换分析提供有效参考。

在桥梁健康监测传感器系统、采集传输系统设计应用中，应充分考虑监测系统的可靠性。基于传感器应用，在数据采集传输系统设计中，首先应考虑系统的容错性，即在系统某个硬件发生故障后，其与的功能模块仍能稳定运行。其次新设计的健康监测数据采集传输系统用哪个具有自启动、自恢复功能，且能实现数据过载问题的有效防控。同时在系统断电时，要求不间断净化电源仍然能够持续工作，并且工作的时间不少于24 h。最后出于桥梁健康监测全面性、准确性考虑，要求重视健康监测系统传感器、数据采集传输及后续分析系统的分布式布局，在分布式监测中提升健康监测的整体性能，保证桥梁使用的安全性。

3 基于桥梁健康监测的数据采集传输系统设计

3.1 传感器系统

传感器的布置及使用是桥梁健康监测系统数据采集和传输的基础前提，在传感器布置设计中，应深刻认识传感器的功能，合理使用传感器监测方法，并进行传感器布置形态的设计。

3.1.1 传感器作用及监测方法

传感器在桥梁各部分荷载、结构特性、结构响应监测中起到至关重要的作用。基于传感器的使用，能实现前使用中多元性能指标的有效监控。现阶段，桥梁健康监测中传感器的使用形态多样，除超风速监测仪、温湿度监测传感器外，倾斜仪、位移传感器、水准仪等都是较为常见的传感器类型。各种类型传感器作用及监测方法有一定差异。以温湿度监测传感器而言，其旨在了解桥梁使用区域的温湿度变化情况，并掌握桥梁主要构件温度及温度梯度情况。在具体监测中，应使用连续监测方法，按照0.02 Hz的频率进行监测，并且应将该传感器就近接入串口服务器，实现RS485/232信号的有效输出。而在位移传感器监测中，应通知实时连续监测点处的位移情况，实现主梁、桥塔纵横向位移的准确把控，位移传感器的采样频率需保持在10 Hz。此外应通过水准仪连续性地进行梁体与大地相对位移的监测[3]。

3.1.2 传感器布置形态

使用传感器的目的在于精准化的获取桥梁使用过程中的状态信息，确保桥梁健康监测数据的可靠性、安全性。但是结合实际情况可知，在桥梁使用监测中，于所有自由度上安装传感器是不现实的，这主要是受到了传感器应用经济效益的影响。基于此，在桥梁健康监测中，应注重传感器布置方式的优化。其一，在荷载监测中，要求将传感器设置在有利于掌握交通荷载强度极限状态的区域，实现桥梁结构内力、应力等指标参数的有效监测。其二，针对特殊部位实施监测时，要求布置得传感器便于计算、分析构件的工作状态。其三，应在桥梁危险及易损构件区域布置传感器，实现桥梁结构损伤情况的有效分析。其四，在传感器布置中，应确保所布置的传感器处于桥梁各性能参数变化的敏感区域，并且监测的数据能为后期桥梁状态分析提供有效支撑，有利于数据分析模型的建设和应用。

3.2 数据采集传输系统设计

3.2.1 数据采集传输系统分类

为实现桥梁健康状况的有效监测，在数据采集传输阶段，首要任务就是设计与桥梁使用及健康监测相匹配的数据采集系统。现阶段，集中式、分布式是桥梁健康监测中数据采集传输的两种基本形态。

就集中式数据采集传输系统而言，其主要是通过一台计算机来完成数据采集和传输，但是这种方式的可靠性较差，即当计算机系统发生故障后，桥梁健康监测整体系统将停止工作，并且在同一台计算机中，难以实现多个物理量的系统处理。基于此，集中式数据采集传输系统的应用较少。现阶段，分布式数据采集传输系统在桥梁健康监测中应用广泛，其不仅包含数据采集单元、远程计算机系统，而且涉及网络交换机、数据传输应用等单元。借助分布式数据采集传输系统，能在网络技术的支撑下，形成单元独立、整体关联的资源共享系统，这对于桥梁健康数据的采集传输具有积极作用，有效地保证了数据采集传输的效率。同时基于分散式的数据采集和传输，能在系统功能分散的基础上，降低系统的负载，这对于降低数据采集传输系统危险性、保证桥梁健康监测安全可靠性具有积极作用。此外從长远发展角度来看，分布式数据采集传输系统能基于较高的操作系统和统一的协议进行信息的交换管理，满足桥梁健康监测实际需要。

3.2.2 数据采集传输系统性能设计

新时期，要进一步提升桥梁健康监测系统数据采集传输效果，还应注重该系统性能指标的系统优化。即在完成健康监测数据采集传输系统设计后，应确保该系统能满足桥梁健康监测的具体要求，同时数据采集及传输系统本身应具有操作性更好的特点，即系统本身应具有便于使用和维护的特征。此外，在分散式数据采集和传输系统设计中，还应注重系统通用性和可扩充性能力的设计，最大限度地提升数据采集的灵活性。值得注意的是，在保证数据采集传输系统可靠性的基础上，还应注重该系统设计周期、经济效益等因素的控制，确保桥梁健康监测数据采集传输系统具有最佳的性价比。

3.2.3 采集传输系统总线设计

规范化地进行采集传输系统总线设计，能实现桥梁健康监测系统传感器、采集传输系统、数据处理系统、健康评估系统的有效衔接;这对于监测数据的传输和应用具有积极作用。现阶段，PXI总线系统在桥梁健康监测系统中得到了广泛应用，从应用效果来看，在32位机中，PXI总线的带宽可达到132 Mb/s，而在64位机中，其带宽可达到264 Mb/s。基于该总线形成全新的虚拟仪器体系，能有效满足健康监测系统各种复杂的触发协议，这对于触发信号的传递具有积极作用。

3.2.4 数据采集传输

桥梁健康监测中，数据采集传输包含了模拟信号、非模拟信号的采集和传输。在模拟信号采集传输中，首先应注重数据采集卡的规范选择，优选具有较高分辨率和采集效率的数据采集卡，然后进行定时同步模块的选择，为桥梁荷载、结构特性、结构响应等参数的采集传输奠定良好条件。最后在PXI控制器应用的基础上，应重视信号调理模块的选择，采用不同的调理设备对信号进行调理，确保采集的信号满足数据传输需要。而在非模拟信号阐述中，光纤光栅传感器、锚索计信号采集是两种主要的信号采集方式，针对这两种数据采集方式，应基于PXI总线进行数据传输，为后期数据分析应用和桥梁健康状况评估奠定良好基础。

4 结语

数据采集传输系统的设计应用对于桥梁健康监测整体效益具有深刻影响。新时期，人们只有充分认识到桥梁健康监测的作用，在健康监测系统顶层设计的基础上，深化数据采集传输系统设计应用，这样才能准确掌握桥梁使用荷载、结构特性、结构响应情况，实现桥梁健康的有效评估，进而推动桥梁工程的持续、稳步发展。

参考文献：

[1]张门哲，金耀，李小龙，等.湖北石首长江公路大桥结构健康监测系统设计研究[J].中外公路，2019（1）：158-163.

[2]肖时辉，梅敏彰，唐孟雄，等.基于LoRa的城市立交桥远程监测数据采集系统[J].公路，2021（2）：87-93.

[3]李雄伟，季钰林，谢伊亮，等.基于IEEE1588时间同步的分布式桥梁健康监测系统[J].电子测试，2021（8）：5-9.

作者简介：杨立新（1990—），女，吉林长春人，硕士研究生，研究方向：桥梁隧道安全监测系统及数据分析。